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Turbolader-Technik

Die Zukunft der Abgasturbine

VTG-Lader, Porsche 911 Foto: ams 3 Bilder

Beim Diesel haben sich Turbolader mit verstellbarer Turbine (VTG) längst durchgesetzt. Warum nicht auch beim Benziner? Die technischen Probleme – und die Alternativen.

19.12.2013 Thiemo Fleck

Downsizing ist Trend. Aufgeladene Ottomotoren mit kleinem Hubraum versprechen viel Leistung und wenig Verbrauch bei gleichzeitig geringem Schadstoffausstoß. Die Schlüsseltechnologie dahinter ist der Turbolader, eine kleine Turbine mit zwei auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Schaufelrädern. Während eines davon, das Turbinenrad, im Abgasstrom sitzt und von den hindurchströmenden Auspuffgasen auf bis zu 300.000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt wird, presst das Verdichterrad komprimierte Luft in die Brennräume. Effizienz und Leistung steigen und damit auch die Abgastemperatur.

Elektronisch regelbare Kühlsysteme für Turbos

Bei nahezu voller Motorlast kann dieses heiße Abgas dem Lader gefährlich werden. Wenn der Turbo hellorange glüht, müsste das Gemisch zur Kühlung „angefettet“ und mehr Kraftstoff eingespritzt werden als nötig. Um das zu vermeiden, senken neue, teils elektronisch regelbare Kühlsysteme die Abgastemeraturen bereits im Zylinderkopf oder Krümmer und minimieren so Volllast-Anfettung und Verbrauch. Gleiches gilt für eine neue Generation von Register-Ladeluftkühlern, die über kühlere Ansaugluft ebenso Einfluss auf die Abgastemperatur nehmen.

Der Katalysator profitiert von Feinarbeit am Turbolader. So reinigt ein Kat erst, wenn er seine Arbeitstemperatur erreicht hat. Statt schwerer Gusseisen-Ladergehäuse, die beim Kaltstart viel Wärme aufnehmen und damit das Kat-Ansprechen verzögern, kommen heute schon – etwa bei Volvo – solche aus dünnwandigem Blech oder Feinguss mit geringer Wärmekapazität zum Einsatz.

Wichtigstes Thema bei der Laderentwicklung ist weiterhin frühes Ansprechen bei gleichzeitig bestem Durchzug bis in höchste Drehzahlregionen. Die Diesel machen’s vor: Mehrflutige Lader (BMW Twin-Scroll), bei denen zwei Abgasströme getrennt die Turbine antreiben, Stufenaufladung mit zwei hintereinander geschalteten Ladern und vor allem die an breiter Front eingesetzten Turbos mit verstellbarer Turbine (VTG) bringen schon knapp über Leerlaufdrehzahl viel Drehmoment.

Benziner stellen höhere Ansprüche an Turbolader

Bei Turbo-Benzinern gelten andere Vorzeichen: Während aufgeladene Dieselmotoren mit einem typischen Drehzahlband bis 4.500 Touren und Abgastemperaturen um moderate 830 Grad heute leicht beherrschbar sind, erreichen schon hubraumkleine Großserien-Benziner bis zu 200 Grad mehr. Auch das breitere Drehzahlband eines Benziners bis mindestens 6.500 Touren stellt höhere Ansprüche an die Belastbarkeit der Turbolader.

Die VTG-Technik lässt sich daher nur bedingt übertragen. Lediglich Porsche setzt seit 2006 im 911 Turbo auf die komplexen Verstell-Lader. Die hohen Temperaturen erfordern hochhitzefeste Metalllegierungen aus Luft- und Raumfahrt, sind extrem teuer und damit alles andere als großserientauglich. Auch die aufwendige Doppelaufladung, die Kombination aus Kompressor und Turbo im VW Twincharger-TSI von 2006, konnte sich nicht auf Dauer gegen die immer besseren konventionellen Lader durchsetzen.

Das Ziel der Großserien-Entwickler lautet also: konsequente Weiterentwicklung einfacher, aber effizienter Ladersysteme. Dabei soll zunächst mit leichteren Turbinenrädern und Wellen sowie besonders leicht laufenden Wälzlagerungen das Ansprechverhalten verbessert sowie über ein mehrflutiges Anströmen der Turbine der Wirkungsgrad erhöht werden.

In Zukunft könnten, sofern nicht ohnehin auf Hybrid-Power für spontan-hohes Anfahrmoment und kräftige Zwischensprints zurückgegriffen werden kann, elektrisch unterstützte Turbos die teure Stufenaufladung und sogar die VTG-Technik ersetzen. Darüber hinaus könnte ein E-Lader auch elektrische Energie ins Bordnetz zurückspeisen. Willkommen im Jahr 2020.

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